生物炭配施沼液對番茄根區土壤養分環境的影響及評價

鄭 健,楊少鴻 ,宿智鵬 ,劉俊彥 ,張平安

(1.蘭州理工大學能源與動力工程學院,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室,甘肅 蘭州 730050;3.西北低碳城鎮支撐技術協同創新中心,甘肅 蘭州 730050)

在農業生產中,化肥被用來保持土壤中作物所需的各種營養元素,在促進作物生長發育和提高產量品質方面發揮了重要作用[1]。但長期施用化肥會對土壤養分環境造成負面影響,比如土壤中H+含量增加、重金屬含量過高及出現土壤酸化現象等,降低了土地的可持續利用性[2]。而已有研究表明有機肥的施用可以有效改善土壤養分環境條件[3]。

沼液作為一種液態速效有機肥料,其施用不僅可以促進植物生長[4],還能改善土壤結構、提高土壤肥力[5]。研究表明,土壤中施用適量沼液對番茄生長有積極的影響,能提高番茄產量和改善果實品質[6];同時沼液作為一種良好的有機肥,與常規化肥相比可以增加土壤孔隙度和土壤團聚體[7]。Yu等[8]發現沼液是一種營養易被植物獲取和吸收的有機肥,適量施用可以提高土壤中的有機質、速效氮、速效磷、全氮、全磷和番茄果實中的氨基酸、可溶性糖和維生素含量等。但不少研究忽略了沼液的高水低肥特性,在沼液對番茄生長及土壤環境影響的前期研究中發現,沼液的高水低肥特性使其在施用過程存在潛在的深層滲漏問題,出現了水肥利用效率提升和土壤改善效果不明顯的情況[9]。為了解決這一問題,需要采用新的方法來提高沼液在土壤根區的滯留量。生物炭是各種生物材料在高溫封閉條件下處理后產生的吸附性強和比表面積大的固體物質[10],其作為一種土壤添加劑已經被廣泛應用[11]。施用生物炭會使得土壤容重變低、孔隙數量增多,有助于提高作物水肥利用率[12]。何緒生等[13]研究發現生物炭是水肥留存于作物根部的關鍵,其施用后能夠使水肥長時有效地在土壤中發揮作用,提高水肥的利用效率。

將具有強吸附特性和改善土壤結構作用的生物炭與綠色有機液肥沼液結合使用,能否充分發揮兩者優勢,同時解決沼液的深層滲漏問題,目前尚無定論。基于此,本試驗采用水/沼液一體化穴孔灌溉技術,通過設置不同生物炭施用量配施沼液的處理,探討各處理對番茄根區土壤養分含量的影響,并采用層次分析的方法進行評價,篩選適宜的生物炭添加量,以期為沼液潛在的深層滲漏問題提供解決方案,同時為溫室沼液資源的高效利用和土壤養分環境的改善提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于2019年9月—2020年10月在甘肅省蘭州市七里河區魏嶺鄉的溫室內(104°13′35′′E,36°58′12″N)進行,該區域海拔1 871.6 m,溫室長50 m,寬11 m,高4.5 m。溫室為東西方向,作物行為南北方向。溫室頂部的通風系統用于控制白天的室內溫度,冬季編織草席鋪在溫室表面保持夜間室內溫度。試驗開始之前,試驗地0～60 cm土層土壤的理化性質見表1。

表1 研究區域土壤理化性質

1.2 試驗材料

供試番茄品種為‘中研-958F1’,供試沼液理化性質如表2所示。供試生物炭理化性質:速效磷10.3 g·kg-1,速效鉀56.57 g·kg-1,容重0.18 g·cm-3,比表面積9.1 m2·g-1,總孔隙度67.01%,通氣孔隙度12.82%,含水孔隙度61.11%,pH 10.21,陽離子交換量60.5 mol·kg-1。

1.3 試驗設計

試驗設5個處理,包括1個當地常規化肥處理(CF)和4個沼液-生物炭處理(T0,T0.5,T1.0,T2.0)。CF處理按照當地經驗進行施肥,單次施肥量為尿素78.5 kg·hm-2、磷肥94.8 kg·hm-2、鉀肥97.8 kg·hm-2,肥料溶于水后滴灌施入土壤;前期試驗和文獻調研[8-9]發現,大田試驗中20%沼液施加濃度對作物和土壤的影響最佳,故本研究將4個沼液-生物炭處理的沼液濃度設置為20%,T0、T0.5、T1.0、T2.0處理對應的生物炭施加量(質量比)分別為0%、0.5%、1.0%、2.0%,即各處理將水和沼液按照體積比配成20%濃度的沼液后,與不同質量比的生物炭混合滴灌施用。5個處理灌溉量均為W=KP×A×EP,式中,KP為蒸發皿系數,本研究取0.85;A為根區面積,本研究取1 800 cm2(30 cm×60 cm);EP為蒸發皿的蒸散量(cm)。灌溉間隔1 d,灌溉時間為8∶00—9∶00。具體試驗設計見表3。番茄分別于2019年9月3日和2020年6月5日播種,2019年12月26日和2020年10月8日收獲,每年播種前開始灌溉施肥。試驗不設置休耕期,下一次種植之前清除植物殘體,翻耕土壤。

1.4 測定指標

分別于番茄的苗期、開花結果期、果實膨大期、果實成熟期結束時,各處理隨機選定一株番茄,采用土鉆在距離番茄根部5～10 cm的地方取0～60 cm土層的土壤,風干研磨后測定土壤養分指標;番茄各生育時期開始前取樣測定沼液的養分指標。土壤和沼液的pH值使用DDSJ-308F檢測儀測定,土壤總氮含量采用凱氏定氮儀測定,土壤有機質含量采用重鉻酸鉀法測定,土壤硝態氮和銨態氮含量采用分光光度儀測定[9]。

表2 供試沼液養分狀況

1.5 番茄根區土壤養分環境質量評價方法

采用層次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)評價土壤養分環境質量,具體步驟如下:

(1)建立層次結構模型:結構分為目標層、準則層和方案層。

(3)層次單排序及一致性檢驗:

②查找一致性指標RI,見表5;

③計算一致性比例CR;

CR=CI/RI,當CR<0.10時,判斷矩陣的一致性是合理的。

表3 試驗設計

④層次總排序及一致性檢驗:計算各層元素對目標層的合成權重和一致性檢驗,得到總排序。

1.6 數據處理及分析方法

數據處理采用SPSS 24.0軟件,圖表處理采用Origin 8.5軟件。采用單因素方差分析(One-way,ANOVA)對不同處理下番茄根區土壤pH值、有機質、硝態氮、銨態氮和總氮含量進行差異顯著性分析和配對比較(LSD,P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物炭配施沼液對番茄根區土壤pH值的影響

由圖1可知,2019年和2020年兩季試驗番茄根區每一層(10 cm)土壤的pH值在番茄的苗期、開花結果期、果實膨大期、果實成熟期均呈T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF的變化規律。隨著番茄生育期的進行,各處理0～40 cm土層土壤平均pH值均逐漸增大,40～60 cm土層土壤平均pH值部分處理出現小幅降低。其中T2.0處理果實成熟期0～60 cm各土層土壤pH值較苗期分別提高了0.120%、0.132%、0.122%、0.081%、0.072%、0.054%,較開花結果期分別提高了0.073%、0.112%、0.091%、0.052%、0.033%、-0.001%,較果實膨大期分別提高了0.013%、0.034%、0.032%、0.002%、-0.001%、0.024%。且果實成熟期T2.0處理10～20 cm土層pH值較CF、T0、T0.5、T1.0處理分別提高了0.093%、0.066%、0.053%、0.026%。結果表明,隨著生物炭施用量的增加和番茄生育期的推進,根區土壤pH值有逐漸增加的趨勢,但增量較小,在番茄果實成熟期的10～20 cm土壤深度T2.0處理pH值最大。

2.2 生物炭配施沼液對番茄根區土壤全氮含量的影響

由圖2可知,2019年和2020年兩季番茄根區0～60 cm各土層土壤全氮含量均隨番茄生育期的進行逐漸增大,各生育時期均以T2.0處理土壤全氮含量最高,CF處理土壤全氮含量最低。各處理全氮含量在土層深度上都表現為0～20 cm土層內逐漸增大、20～40 cm土層內逐漸減小的規律,在10～20 cm土層達到最大值。T2.0處理苗期10～20 cm土層土壤全氮含量較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了2.61%、3.06%、10.47%、15.46%,開花結果期分別提高了2.92%、5.51%、9.68%、8.51%,果實膨大期分別提高了2.97%、4.69%、7.32%、13.01%,果實成熟期分別提高了4.56%、6.22%、10.73%、16.46%,說明T2.0處理更有利于番茄根區土壤全氮含量的增加,且番茄各生育時期土壤全氮含量在T2.0處理的10～20 cm土層處達到最大值。

表5 平均隨機一致性指標

2.3 生物炭配施沼液對番茄根區土壤硝態氮含量的影響

從圖3可以看出,2019年和2020年兩季番茄根區0～60 cm各土層土壤硝態氮含量均隨著番茄生育期的進行而逐漸增大,全生育期0～60 cm土層土壤硝態氮含量表現為T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,各處理番茄整個生育期內的土壤硝態氮含量在土層深度上都呈0～20 cm土層增大、20～40 cm土層減小的趨勢,且均在10～20 cm土層達到最大值;各生育時期根區土壤硝態氮含量均為T2.0處理最高。T2.0處理苗期10～20 cm土層的土壤硝態氮含量較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了6.66%、10.04%、13.45%、17.88%,開花結果期分別提高了4.27%、7.55%、15.21%、16.51%,果實膨大期分別提高了3.11%、6.18%、11.13%、17.18%,果實成熟期分別提高了2.63%、4.25%、7.11%、13.53%,表明T2.0處理可以顯著提高番茄根區土壤硝態氮的累積。

2.4 生物炭配施沼液對番茄根區土壤銨態氮含量的影響

由圖4可知,2019年和2020年兩季番茄根區0～60 cm各土層土壤銨態氮含量均隨番茄生育期的進行逐漸增大,各生育時期土壤銨態氮含量表現為T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,均為T2.0處理最高,CF最低。各處理全生育期銨態氮含量均隨土層深度增加呈先增大后減小的趨勢,最大值出現在10～20 cm土層。T2.0處理10～20 cm土層土壤銨態氮含量在苗期較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了2.06%、4.32%、11.81%、17.92%,開花結果期分別提高了5.61%、2.95%、9.71%、15.35%,果實膨大期分別提高了2.15%、4.93%、8.56%、7.61%,果實成熟期分別提高了1.69%、5.25%、8.68%、14.07%,表明T2.0處理番茄根區土壤銨態氮的累積效果優于其他處理。

圖2 生物炭配施沼液對根區土壤全氮的影響

圖3 生物炭配施沼液對根區土壤硝態氮的影響

圖4 生物炭配施沼液對根區土壤銨態氮的影響

2.5 生物炭配施沼液對番茄根區土壤有機質含量的影響

從圖5看出,2019年和2020年兩季番茄根區0～60 cm各土層土壤有機質含量隨著番茄生育期的進行而逐漸增大,各個生育時期均為T2.0處理最高,CF處理最低。在番茄整個生育期,各處理0～60 cm土層土壤有機質含量均隨土層加深呈先增大后減小的趨勢,并在10～20 cm土層處出現最大值。T2.0處理10～20 cm土層有機質含量在苗期較T1.0、T0.5、T0、CF處理分別提高了2.42%、5.44%、9.74%、13.56%,開花結果期分別提高了1.40%、4.87%、9.95%、13.94%,果實膨大期分別提高了2.21%、5.53%、13.93%、18.59%,果實成熟期分別提高了3.27%、6.65%、10.71%、14.63%,說明T2.0處理能夠有效增加番茄根區土壤有機質含量。

2.6 番茄根區土壤養分環境評價

作物的產量和品質與土壤養分環境有直接關系,后者會通過影響前者而影響人們的生活質量與健康狀況[2]。土壤理化性質與土壤質量和作物生長發育有密切聯系,對土壤自身構造和肥力有一定的影響。本文選取土壤pH值、全氮含量、銨態氮含量、硝態氮含量和有機質含量作為評價指標,采用層次分析法(AHP)評價生物炭配施沼液各處理下土壤養分環境質量的優劣,步驟如下:

(1)建立土壤養分環境質量評價的遞階層次結構模型(圖6)。本研究中目標層A為土壤養分環境質量,準則層B為:土壤pH值(B1)、土壤全氮含量(B2)、土壤銨態氮含量(B3)、土壤硝態氮含量(B4)、土壤有機質含量(B5),方案層C為:CF處理(C1)、T0處理(C2)、T0.5處理(C3)、T1.0處理(C4)、T2.0處理(C5)。

(2)根據建立的土壤養分環境質量評價遞階層次結構模型,在調查表上寫明層次分析法的特點及比率標度(表4)后,根據層次分析法的專家打分機制向相關專業的26位老師及本專業208位本科生和研究生散發土壤養分環境質量評價分析的調查表,調查表收回有效率98%。通過統計分析形成各個層次的判斷矩陣如表6所示。

圖5 生物炭配施沼液對根區土壤有機質的影響

圖6 土壤養分環境質量評價的遞階層次結構模型

表6 土壤養分環境質量評價因子判斷矩陣

(3)計算各層元素對目標層的合成權重及一致性檢驗,各層元素對目標層的合成權重見表7。

通過目標總排序一致性檢驗發現,方案層的總排序一致性比率CR=0.0308<0.1000,滿足條件。根據處理總權重值可知,各處理對根區土壤養分環境質量影響的排序表現為:T2.0>T1.0>T0.5>T0>CF,表明在相同沼液濃度(20%)灌溉下,隨著施用量的增加,生物炭對土壤養分環境質量的影響逐漸增大。當生物炭施加量的質量比為2.0%(T2.0處理)時,目標層的總權重達到最大值0.3966,即T2.0處理改善土壤養分環境質量效果最好。T0處理的排序高于CF處理,說明在不增施生物炭的情況下,20%濃度的沼液作為有機肥施用比同等條件下常規化肥施用對土壤養分環境質量的影響大,即施用合理濃度的沼液一定程度上也可改善土壤養分環境質量。

3 討 論

生物炭具有表面積大、孔隙率高、吸附性強的特點。Qian等[14]開展的施用生物炭對華南紅壤保水特性影響的試驗,以及Barna等[15]開展的混摻生物炭對粉壤土物理特性影響的研究結果均表明,生物炭添加可以改善土壤物理結構并提高土壤持水性能。沼液施用對土壤持水能力的提高也有積極作用,楊樂等[16]、侯冬梅等[17]和Yague等[18]的研究結果表明,施加沼液能增大土壤的總孔隙度及毛管孔隙度,進而提高土壤的持水能力。Abdo等[19]發現,生物炭和沼液配施提高沙土持水能力的效果優于生物炭或沼液單獨施用處理。本研究發現,生物炭和沼液的pH值在7.0以上,但其配合施用并未引起土壤pH值的明顯升高,反而對番茄根區土壤pH值起到了一定的改善作用,使0～40 cm土層土壤pH值出現小幅度的增大;同時,當灌溉沼液濃度為20%時,隨著生物炭施用量的增加,番茄根區土壤0～60 cm土層的總氮、硝態氮、銨態氮含量、pH、有機質含量均較常規施肥處理有不同程度的增加,以土壤10～20 cm土層T2.0處理增幅最大。一方面可能是因為施加的沼液和生物炭自身就呈堿性,能緩解土壤的酸化,同時,沼液中有機質在微生物分解作用下產生的各類酸也能防止土壤堿化,這與黃連喜等[20]和陳瑤等[21]的研究結果一致;另一方面,作為有機肥,沼液含有能促進作物生長的氮、磷、鉀等營養元素,它還可以改善土壤結構[22],與生物炭聯合施用后能促進土壤團粒結構的形成,同時生物炭的強吸附特性降低了作物根層土壤中的養分流失[23-24],使得沼液中促進作物生長發育的大量和微量元素在作物根層的滯留量有所增加[25],從而提高了作物根區土壤的養分含量。

表7 各層元素對目標層的合成權重

土壤養分環境會影響作物的生長和產量品質的形成,對土壤養分環境質量的科學合理評價至關重要。層次分析法(AHP)是定性和定量相結合的一種評價方法,與傳統的分析方法相比,其優勢在于能用較少的信息使決策思維過程數學化,為多個準則的問題提供簡單的評價方法[26]。土地利用適宜性分析[27]和土壤質量評價[28]等方面的研究充分證實了該方法的科學性和合理性。本研究采用層次分析法評價番茄根區土壤養分環境質量時發現,在沼液施用濃度為20%時,生物炭施用量越大,其對土壤養分環境質量的影響越大,即T2.0處理(生物炭施用量2.0%)在改善土壤養分環境質量方面效果最明顯。這與鄭健等[29-30]生物炭配施沼液條件對土壤中各種養分指標影響的研究所得結論相似。

4 結 論

1)沼液濃度為20%時,生物炭施用量的增加能有效促進番茄根區0～60 cm土層土壤總氮、硝態氮、銨態氮和有機質含量的增大,T2.0處理(生物炭施加量為2.0%,質量比)提升效果最佳。

2)層次分析法(AHP)能夠對生物炭配施沼液條件下番茄根區土壤養分環境進行準確評價;當生物炭施加量的質量比為2.0%(T2.0處理)時,目標層的總權重達到最大值(0.3966),表明5個處理中T2.0對土壤養分環境質量改善效果最好。